生化学 SEIKAGAKU
Journal of Japanese Biochemical Society

量子力学が記述する微視的な現象には，直感に反する不可思議なものが存在する．たとえば，有名な「二重スリット実験」では，電子や光子のような微小な粒子を二つのスリットを備えた板に向けて放つと，粒子が両方のスリットを同時に通過し，通過後に波として干渉しあい，背後のスクリーンに干渉縞が現れる^1）．これは，粒子が波動性をも併せ持つことを示しており，波動としての性質を持たない古典的な粒子の挙動（たとえば銃弾のような挙動）とは大きく異なる．また，本稿の内容に関連する「量子トンネル効果」とは，電子などの量子粒子が，古典力学では越えられないはずのエネルギー障壁を，まるで障壁に開いたトンネルを通り抜けるように通過する現象である．このような，直感とは異なる量子論的現象が，生命現象にも関与しているのかを探る学問が「量子生物学」である．量子生物学の研究例としては，量子の一種である光子が関与する光合成，光修復，光受容などの生物学的過程に対する量子論的解明があげられる^2）．また，理論物理学者Jim Al-Khalili，と分子生物学者Johnjoe McFaddenによる著書『Life on the Edge：The Coming of Age of Quantum Biology』（『量子力学で生命の謎を解く』水谷淳訳，SBクリエイティブ，2015年）では，DNAの突然変異や人間の意識といった生命現象を量子論的に理解する可能性が興味深く論じられている^1）．この著書で取り上げられている話題の中で，水素移動反応を伴う脱水素酵素の化学反応に，量子トンネル効果が関与していることが実験的に示されていた^3）．ただし，量子レベルでの微視的な影響が，生体内での巨視的な生命現象にまで波及するかどうかについては，長らく不明であった．本稿では，酵素化学反応における量子レベルのメカニズムが，細胞レベルでのDNA修復機構に及ぼす影響を検討した著者らの研究成果を基に，量子トンネル効果に関連する先行研究と今後の展望について紹介する．

化学反応が進行するには，基底状態にある出発物質が活性化エネルギー障壁を乗り越える必要がある（図1A）．一方で，「量子トンネル効果」では，量子粒子がエネルギー障壁を越えずに通過し，遷移状態を経ることなく反応が進むことがある^4）．この現象は，電子や原子量の小さい水素などの粒子において起こりやすいが，原子量の大きな粒子ではほとんどみられない．水素（H）を重水素（D）に置き換えると，トンネル効果の確率が低下し，酵素反応の速度も低下する．このような速度の変化は「速度論的同位体効果」と呼ばれる．また，反応温度が上昇すると，粒子は通常の熱エネルギーで障壁を越えるようになり，量子トンネル効果は減少または消失する．この温度依存性も，トンネル効果の指標となる（図1A）^4–6）．さらに，反応に関与する化学結合の振動ポテンシャルエネルギーの違いも，速度論的同位体効果に関与しており，これも量子論的な性質である（図1B）．この振動ポテンシャルによる効果も温度依存性を持つが，著者らが用いた15～42°Cの範囲では温度変化の影響はほとんどみられない^{4, 6）}．このように，速度論的同位体効果（図1C）と温度依存性の両面から，脱水素酵素による水素移動反応には量子トンネル効果が関与していることが示されている^3）．

図1 水素同位体による速度論的同位体効果が生じるメカニズム

（A）エネルギーが最も低い基底状態の粒子は，熱などによってポテンシャルエネルギーを超えるエネルギーを得ることで，遷移状態に達し，反応が進行する．一方，量子トンネル効果は，反応温度が低くポテンシャルエネルギーを超えられない場合に生じる現象である．水素（¹H）は重水素（²D）よりも量子トンネル効果の確率が高いため，速度論的同位体効果が現れる．（B）速度論的同位体効果は，反応に関与する化学結合のポテンシャルエネルギーの違いによっても生じる．量子力学では，粒子は離散的なエネルギー準位に存在し，ゼロ点エネルギー（E₀）が最も低いエネルギー状態である．水素の同位体差によりE₀が異なるため，遷移状態に達するために必要な活性化エネルギー（E_a）も変化する．（C）速度論的同位体効果により，水素同位体の移動反応では，¹Hの方が²Dよりも速い反応速度を示す．（D）タンパク質の脱アセチル化反応，タンパク質切断反応，DNA切断反応などの加水分解酵素反応で，速度論的同位体効果が検出された^{6, 11）}．

加水分解とは，水分子が反応物の化学結合を切断することで分解生成物を生じる反応であり，水分子の水素が反応物に直接移動する．生体内には，ヌクレアーゼ，プロテアーゼ，ホスファターゼ，脱アセチル化酵素，ATP加水分解酵素など，多様な加水分解酵素が存在し，それぞれ特有の役割を担っている．たとえば脱アセチル化では，水分子の水素がアセチル化されたリシンの結合を直接攻撃し，アセチル基を除去する反応が起こる．一方，アセチル化は加水分解反応ではないため，反応溶液中の水分子は溶媒としての役割を果たすが，化学反応には直接関与しない．アセチル化はヒストンアセチル化酵素（HAT）によって，脱アセチル化はヒストン脱アセチル化酵素（HDAC）によって行われる．

DNA二本鎖切断（double-strand break：DSB）修復タンパク質であるヒトRAD52は，HATのp300によりアセチル化され，HDACのSIRT3により脱アセチル化される^7）．著者らはこの酵素反応をモデルに，精製タンパク質を用いた試験管内実験によって，脱アセチル化反応が速度論的同位体効果を示すかどうかを検討した^6）．その結果，RAD52のアセチル化反応では，反応溶液中の水を軽水（H₂O）から重水（D₂O）に変えても反応速度は変わらなかった．これは，水分子が直接関与しない反応においては，周囲の水分子の同位体の違いが反応速度に影響を及ぼさないことを示している．一方で，RAD52の脱アセチル化反応では，反応溶液中の水をD₂Oに置き換えると反応速度が低下し，明確な速度論的同位体効果が認められた．また，温度を上昇させるとこの効果が消失したことから，この反応には量子トンネル効果が関与していると考えられる．

同様の効果は，ヒストンに対する脱アセチル化反応や，ヌクレアーゼによるDNA切断反応，プロテアーゼによるタンパク質切断反応においても確認された（図1D）．

細胞内で生じたDSB損傷は，相同組換え（Homologous Recombination：HR）修復，非相同末端結合（Non-Homologous End Joining：NHEJ）修復，一本鎖アニーリング（Single Strand Annealing：SSA）修復などによって修復される^7）．NHEJは，切断されたDNA末端を直接連結する修復機構である（図2A）．一方，SSA修復は，DSB部位を挟む相同反復配列を利用して行われる修復である．SSA修復では，DSB部位の両端がヌクレアーゼによって削り込まれ，そこに生じた相同な二本の一本鎖DNA領域が対合することで修復が進む．この相同な一本鎖DNAの対合には，一本鎖DNAのアニーリング活性をもつRAD52タンパク質が関与している（図2A）．

図2 ヒトのDNA二重鎖切断修復機構

（A）ヒトにおける相同組換え（HR）修復，一本鎖アニーリング（SSA）修復，および非相同末端結合（NHEJ）修復の模式図．重水存在下では，これらすべてのDNA修復機構が阻害される．これは，速度論的同位体効果により修復に関与する加水分解酵素反応の速度が低下し，その影響が相乗的に働くためであると考えられる^{6, 11）}．（B）ヒトのHR修復におけるRAD52のアセチル化修飾制御の模式図^8）．

HR修復は，切断されたDNA鎖と，損傷を受けていない相同DNA鎖との鎖交換反応による修復機構である．ヒトでは，修復の初期段階で，DSB末端がMRE11–RAD50–NBS1（MRN）複合体およびEXO1ヌクレアーゼの作用によってプロセッシングされ，突出した一本鎖DNA領域が形成される．その後，一本鎖DNA結合タンパク質複合体であるRPAが一本鎖DNAに結合し，そこで形成される二次構造を除去する．続いて，一本鎖DNAを覆っていたRPAが，HR修復の中心的因子であるRAD51組換え酵素に置き換わり，RAD51とDNAからなるヌクレオプロテインフィラメントが形成される．このRAD51ヌクレオプロテインフィラメントは，一本鎖DNAと二本鎖DNA内の相同配列との間で，DNA鎖の侵入および交換を触媒する．HR修復の初期段階において，BRCA2タンパク質はRPAとRAD51の置換を促進し，RAD51ヌクレオプロテインフィラメントの形成を助ける主要な因子である．ヒトRAD52も，この初期反応段階でDSB部位に局在し，RPAやRAD51と相互作用することから，何らかの役割を果たしていると考えられるが，その具体的な機能はまだ明らかではない．一方，HR修復の後期段階では，RAD52はRAD51によるヘテロ二本鎖形成の後に，もう一方のDNA切断端と相同DNA配列との対合を促進する「second-end capture」と呼ばれる役割を担うと考えられている（図2A）．

DNA修復には，さまざまなタンパク質修飾が関与している．前述のRAD52のアセチル化は，細胞内ではDSBによって誘導される（図2B）．RAD52は，DSB部位でp300/CBPのHAT活性によってアセチル化され，その後SIRT2/SIRT3のHDAC活性によって脱アセチル化される^8）．RAD52のアセチル化は，その一本鎖DNA結合活性や，RAD51およびRPAとの相互作用に影響を及ぼす．RAD52のアセチル化が阻害されると，修復途中でRAD51がDSB部位から解離し，HR修復が阻害される^8）．また，RAD52のHDACを阻害しても同様にHR修復が阻害されることから，RAD52のアセチル化修飾制御はHR修復に不可欠であると考えられる^{8, 9）}．DSB発生直後には，ATMリン酸化酵素がDSB部位に集積して活性化し，リン酸化を介したDNA損傷応答シグナルの伝達が始まる．ATMは，細胞周期チェックポイントやDNA修復に関与する多数のタンパク質のリン酸化を誘導する酵素であり，HR修復にも不可欠である．特に，RAD52のアセチル化修飾制御に関しては，ATMがRAD52, p300/CBP, SIRT2/SIRT3のDSB部位への集積に必要であることが示されている^8）．

RAD52による脱アセチル化など，速度論的同位体効果が検出された酵素反応は，DSB修復と関連する^{8, 9）}．そこで，著者らはヒト細胞をD₂Oで調製した培養液にさらし，DSB修復への影響を調べた．その結果，重水はこれら三つのDSB修復機構すべてを阻害した（図2A）．HR修復に関与するSIRT3によるRAD52の脱アセチル化を再現した試験管内酵素反応では，反応溶液中の水（H₂O）を重水（D₂O）に置き換えると，反応速度は約半分に低下した．一方，細胞に対する重水の影響は，この試験管内実験の予想をはるかに超えており，重水を用いた培養液にさらしたヒト細胞では，HR修復がほぼ完全に阻害された^6）．

また，重水の同位体効果により，放射線照射後のDSB部位における修復タンパク質の集積も妨げられた．照射直後にDSB部位へ集積するATMなどの修復タンパク質は，照射10分後には重水存在下でもDSB部位に局在していたが，1時間後には局在が大きく減少した．一方，HR修復に必須であるRAD51などのタンパク質の局在は，照射6時間後にほぼ完全に阻害されていた．これらの結果は，DSB修復におけるタンパク質の集積が，反応段階の上流から下流にかけて重水の影響をより強く受けることを示している^6）．

HR修復には多くの加水分解酵素反応が関与している（図2A）．たとえば，DNA末端のプロセッシングや組換え中間体の解離といったDNA切断反応，ATP加水分解酵素の活性などである^7）．たとえ各酵素反応の速度が重水によって約半分に低下したとしても，細胞内で連続して進行する酵素反応では，これらの影響が相乗的に作用し，最終的に大きな阻害効果となる．この理由により，DSB修復に関わるタンパク質の局在も反応段階が進むほど強く妨げられると考えられる．

水は細胞内のあらゆる反応に関与するため，生命活動に不可欠である．しかし，通常の水と異なり，重水（D₂O）は生物に対して毒性を示し，細胞死を引き起こすことが知られているが，その毒性の程度や機構は長らく不明であった^10）．放射線などで深刻なDNA損傷を受けた細胞は，修復する代わりにアポトーシスによって自死し，多細胞集団から排除される仕組みを持つ．著者らは，アポトーシスを誘導しやすいヒト単球系細胞を用い，放射線照射と重水処理によるアポトーシス誘導の強さを比較した．その結果，細胞をほぼ100％の重水を含む培養液に2時間さらしただけで，ヒトにおいて致死量に相当する24 Gyの放射線照射よりも強いアポトーシスが誘導された（図3A, B）^11）．

図3 重水の同位体効果による生物影響

（A）高濃度の重水にさらされたヒト細胞では，速度論的同位体効果の影響によりDNA合成が阻害され，それに伴って生じたDSBの修復が完全に妨げられる．その結果，アポトーシス誘導の引き金となるp53のセリン46のリン酸化やカスパーゼの活性化などが起こる^{6, 11）}．（B）高濃度の重水はヒト細胞に対して高い毒性を示し，24 Gyの高線量放射線照射よりも強くアポトーシスを誘導する．一方で，重水を軽水で希釈すると，速度論的同位体効果が消失し，それに伴って強い毒性もみられなくなる^11）．

放射線（8 Gy）を照射すると，すべての細胞でDSBが生じる．これに対し，重水はより強いDSB誘導効果を持つと予想されたが，実際には細胞周期のDNA合成期の一部の細胞に限ってDSBが発生した．これは，重水がDNA合成を阻害した結果であると推測される（図3A）．また，重水にさらされた細胞では，DNA合成阻害により生じたDSB部位への修復タンパク質の集積が完全に阻害された．このことから，たとえ一部の細胞にしかDSBが生じなくても，その修復が完全に妨げられるため，重水はきわめて強くアポトーシスを誘導することが示唆される．実際，この推論に沿って，重水にさらされた細胞に放射線を照射した場合，すべての細胞に生じたDSBが修復されず，さらに強いアポトーシスが誘導された．また，水素の別の同位体であるトリチウム（T）は，重水素よりも原子量が大きく，さらに強い速度論的同位体効果を引き起こす．このことは，トリチウム水の細胞毒性が重水よりも高い可能性を示唆している．一方，重水を軽水で約10倍に希釈すると，加水分解酵素反応に対する速度論的同位体効果は消失し，ヒト細胞におけるDNA修復阻害やアポトーシス誘導もみられなくなる．

このように，高濃度の水同位体は量子レベルのメカニズムを介して細胞死を誘発する高い毒性を持つが，希釈によりその毒性は回避可能である（図3B）．これらの知見は，水素同位体水の環境影響や安全性評価の観点からも重要である^11）．

水素同位体と異なり，量子トンネル効果が起きにくい炭素や窒素の同位体を用いたタンパク質標識では，細胞への影響は確認されていない^12）．また，重水の細胞毒性は，酵素反応と同様に温度依存性を示し，低温ほど強く現れたことから，その影響にも量子トンネル効果が関与していると考えられる^6）．

高濃度の重水は細胞に大きな影響を与えるが，自然界に微量存在する重水を除去した「超軽水」も，通常の水と比較して生命現象に影響を及ぼすことが報告されている^13）．超軽水は，通常の水と比べて哺乳類細胞の増殖を抑制し，さらに遺伝子発現にも影響を及ぼす^13）．同様の遺伝子発現への影響は，ヒト細胞を高濃度の重水にさらした場合にもみられる．これは，ヒストン脱アセチル化に対する速度論的同位体効果によって，細胞内のヒストンアセチル化レベルが変化し，その結果として遺伝子発現が影響を受けるためと考えられる^6）．さらに，自然界に存在する²H/¹Hの比率においても，酵母やヒト細胞の代謝反応に速度論的同位体効果の影響が検出されている^14）．有酸素的なエネルギー代謝や発酵代謝に関わるNADPH生成酵素は，それぞれ異なる速度論的同位体効果を示す．そのため，好気条件と嫌気条件とで異なるNADPH生成酵素の速度論的同位体効果が，NADPHを介して脂肪酸中に取り込まれる水素の²H/¹H比に影響を及ぼし，この結果から量子トンネル効果の関与が示唆されている^{14, 15）}．これらの知見は，地球上の生命活動において量子効果が広範に関与している可能性を示している．

量子生物学の重要な関心の一つとして，量子トンネル効果がDNAの突然変異誘発に関与しているのではないかという仮説がある^1）．DNAの塩基対は水素結合によって形成されているが，水素がもう一方の塩基に移動すると互変異性体が生じ，その結果として異なる塩基対が形成されることで突然変異が起こる．この水素の移動に，量子トンネル効果が関与していると推測されている．

一方で，著者らの研究成果からは，別の視点がみえてくる．たとえば，大腸菌では，UmuDやその類似タンパク質がDNA損傷を乗り越えるDNA複製酵素として活性化されることが，突然変異誘発に不可欠であることが知られている^7）．このメカニズムには，加水分解酵素によるタンパク質切断が関与しており，ここにも量子トンネル効果が作用している可能性がある．

すべてのDNA修復反応は，損傷部位における切断反応を伴うため，量子トンネル効果の影響を受け，重水によって阻害されると考えられる．さらに，DNA修復に限らず，ほとんどすべての生命現象に加水分解酵素反応が関与していることから，量子効果は生命科学全体に関連する普遍的な原理であると推測される．また，生育温度の異なる生物において，低温環境に適応した種ほど量子トンネル効果の寄与が大きくなるのかどうかについても，今後の重要な研究課題である．